Vol. 40 No. 1Mar. ,2021
第40卷第1期2021年3月
青海电力
QINGHAI ELECTRIC POWER
DOI : 10. 15919/j. cnki. qhep. 2021.01.002
基于价值最优原则的综合能源供给系统
分层优化配置策略研究
赵文强打余紫薇2 ，赵建勇2 ，雷国斌1 ，徐嘉伟1 ，张震霄2 ，田 超彳，祁富志1
(1.国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁8100003；
2.浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室(浙江大学电气工程学院)，浙江 杭州310027；
3.国网青海省电力公司果洛供电公司，青海 果洛州814000)
摘要：针对青海省偏远地区的供电难、供热难的问题，建立以光伏发电为主，综合利用新能源分布式发电、 储能、储热先进技术的新型能源供给系统，已成为发挥区域资源优势、解决偏远地区电热需求的有效途径。为 保证该新型能源供给系统的经济稳定运行，提出了一种基于价值最优原则的光、储、热新型能源供给系统分层
优化配置方法。根据表征系统容量配置的经济性目标和满足供电供热稳定需求的约束条件，建立了相应的系 统优化配置模型。采用分层优化迭代算法，求解得到价值最优的系统容量配置结果。最后通过案例分析，验
证了所提出的分层优化方法的有效性。
关键词：热电联供型微网系统；价值最优原则；分层优化迭代算法
中图分类号：TM743 文献标志码：A 文章编号：1006 -8198(2021)01 -0006 -07
Rearch on Layered Optimization Allocation Strategy Bad on Optimal Value Principale for Comprehensive Energy Supply System
ZHAO Wenqiang 1, YU Ziwei 2 , ZHAO Jianyong 2 , LEI Guobin 1,
XU Jiawei 1, ZHANG Zhenxiao 2, TIAN Chao 3, QI Fuzhi 1
Abstract : Against the difficulties with power and heat supply in the remote districts of the Qinghai province , it has
been an effective way to exploit the advantage of the district resource and to meet the demand for power and heat in the districts that building new nenergy supply system mainly with photovoltaic power generation by using the advanced
technologies such as distributed renewable energy generation , energy storage and heat storage. A layered optimization allocation strategy bad on value optimization principle is propod for the comprehensive energy supply system with
voltaic , storage and heat technologies. The allocation strategy us layered optimization alternative algorithm and solves the system capacity allocation with optimal value bad on the system optimization allocation model built
according to the economic objects of the system capacity allocation and constraints from the power and heat supply demand. In end the layered optimization method is validated with examples.
Keywords : micro power network with heat-electric supply ; optimal value principle ； layered optimization alterna
tive algorithm
收稿日期：2021 -01 -19；修回日期：2021 -02-23基金项目：国网青海省电力公司科技项目(106000003069)。
作者简介：赵文强(1988)，男，本科，高级工程师，从事火电机组调度运行与试验研究工作。
第1期赵文强，等：基于价值最优原则的综合能源供给系统分层优化配置策略研究7
0引言
青海省许多农牧区域自然环境恶劣，居民居住分散，落实“户户通电”工程投资成本极高，因此，偏远地区农牧居民“用电难”、“用热难”问题亟需解决⑴。
针对偏远地区的供电问题，国内外一般通过建设微电网的方式来实现电力供应⑵。针对偏远地区的供热问题，通常考虑在原有微网的基础上，实现“热电联供”〔…〕。热电联供技术具有节能、高效、能源利用率高等优点，可以同时为用户提供电力、热力等多种能量，并能够就地消纳太阳能等清洁能源，
实现能源的环保经济利用，广受电力系统的欢迎。文献〔5〕结合了太阳能光伏发电、储能、地源热泵构成了一体化微网系统，多种能量形式的互存有效提高了能源利用效率。
青海省具有显著的光资源和土地资源优势，因此建立以光伏发电为主，综合利用分布式发电、储能、储热的先进技术的光、储、热一体化的新型能源供给系统，成为解决青海省偏远地区供电供热难题的一条有效途径。为保证该新型能源供给系统的安全运行，并满足供电供热的稳定性需求，需要对系统组成进行合理容量配置。但现有针对微网系统的优化配置方法，通常以运行成本或能源利用率为优化目标，一般只涉及到电力供配的情况。文献〔6〕提出了一种基于文化基因算法的交直流混合微网优化运行方法，该方法有效降低了微网系统的运行成本，并保证了交直流不同负荷的稳定供电，但该方法并不适用于电力、热力同时存在的系统工况。
对此，本文提出了一种光、储、热新型能源供给系统分层优化配置方法，以保证该新型能源供给系统的经济稳定运行。
1光.储、热新型能源供给系统结构
本文重点对分布式发电、储能、储热等部分，进行合理的容量配置。为简化分析，并保证足够的成本预测精度，图1给出了新型能源供给系统的结构示意图。如图1所示，新型能源供给系统可以分成电力系统层和热力系统层。其中，光伏发电单元、储电单元、变流器单元构成了电力系统层，用于电负荷
的供电；而电热转换单元、储热单元构成了热力系统层，用于热负荷的供热，而电热转换单元直接由光伏发电单元提供电量。
图1新型能源供给系统结构示意图
2基于价值最优原则的新型能源供给系统优化配置模型
针对图1系统结构图，本节提出了基于价值最优原则的新型能源供给系统优化配置模型，求解系统容量的最优配置方案，从而实现系统的经济运行，并满足偏远地区供电供热的稳定性需求O 2.1表征系统容量配置的经济性目标函数
首先，建立了表征系统容量配置的经济性目标函数。该目标函数由以下各成本组成：
(1)系统各单元的投资成本
光、储、热新型能源供给系统包含光伏发电单元、储电单元、储热单元、变流器单元和电热转换单元，同时实现电力热力的稳定供应。系统中各单元的的投资成本可统一由下式表示：
二Ng・(CM)+c」)+
C3-c re5(0)(1)式中Mi J)为第j次优化配置过程中第i类系统基本单元的配置数量；C诚G)、C叫⑴、C con(i)、臨⑴分为别第i类系统基本单元单位化的初始投资、安装、配套变换器费用和剩余成本。
(2)光伏发电单元的运行维护费用
N c T
C^=》Kpv・I PM At(2)
f=1Jo
式中,Kpy为光伏发电单元的维护成本系数,Ppy (£)为£时刻光伏发电单元所发出的功率。
(3)储电单元的维护费用
考虑到储电装置的性能及对电力供应的稳定性要求，通常选用以蓄电池为基础的储电单元。只考虑蓄电池的储电单元维护费用为
CZ=K bat・「I鎰⑴⑹(3)
挑剔怎么读
Jo
8青海电力第40卷
式中，心，为蓄电池单元的维护成本系数，匕”⑷为t时刻蓄电池单元所发出或吸收的功率。
(4)储热单元的运行维护费用
C\PM\dt(4)
Jo
式中，心为储热单元的维护成本系数，检⑴为t 时刻储热单元所发出或吸收的功率。
(5)变流器单元的运行维护费用
式中A”论为变流器单元的维护成本系数，血唉(/)为/时刻变流器单元发出的功率。
(6)电热转换单元的运行维护费用
c t
C^=K EtT-I\P ElT(t)\dt(6)
Jo
式中,K砂为电热转换单元的维护成本系数,P砂
⑴为/时刻电热转换单元发出的功率。
2.2满足供电供热稳定需求的约束条件
其次，为实现新型能源供给系统的合理运行，并满足偏远地区供电供热的稳定需求，建立相应的约束条件如下：
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(1)系统功率平衡约束
新型能源供给系族用光伏作为可融能源发电单元，供给系统内电热负荷能量需求。在此基础上，系统功率平衡约束条件可用如下公式标:
P e L om O)+Pnoad(t)=P”v(t)+P"o(/)
(7)式中,P elo M、PU为t时刻电、热负荷消耗功率，耳”⑴为t时刻光伏发电单元产生功率,
为/时刻储电、储热单元吸收或释放功率。其中，光伏发电单元输出功率Ppy(t)与当前环境温度、光照强度和当前风速有关，可由如下公式计算：
式中,P”为光伏组件在标准测试环境下的额定出力尢为光伏组件的衰减系数,G(t)为第t时刻光伏组件上的平均入射太阳辐照度,G”/为标准测试条件下的辐照度,7爲为标准测试条件下的温度, 5为温度影响系数。
(2)储电单元的容量和功率交换能力约束
储电单元存在容量上的限制，因此t时刻储电的荷电状态(SOC)需满足：
SOC^WSOCQUSOC"*(9)式中,SOC^”为最小荷电电量,SOC唤为最大荷电电量。
同时，储电单元存在单位时间内吸收或释放功率限制：
0WPboi(t)WPgnax(10)式中,BoOnax为储电单元的最大吸收或释放功率，其受到变流器单元额定功率的卩吸碣限制。
(3)储热单元的容量和功率交换能力约束
储热单元存在容量上的限制，即t时刻储热装置储热量Q(t)不超过最大储热容量:
0wQ(t)WQ唤(11)同时,t时刻储热单元吸收或发出功率P st0⑴受换热器换热功率的限制：
吸收热量
释放热量
式中，唤为储热单元的最大吸热功率,0込""为储热单元的最大放热功率。
(4)储电单元的效率约束
储电单元需要考虑到能量传递、转换过程中的效率问题。假设储电单元的充放电效率在运行过程中保持不变。对于储电单元，计及充电效率和放电效率后SOC离散形式可如下式表示: SOC(t)=SOC(t-l)+«-P6ol(t)At(13)式中,％为储电单元的充电效率,％为储电单元
的放电效率,a=
PM>0
PM)W0°
(5)储热单元的效率约束
储热单元需要考虑到能量传递、转换过程中的效率问题。对于储热单元，/时刻吸收的热量是由电热转换单元提供，假设电转化为热的转化效率为％，则：
PM(14)式中,PM为电热转换单元的输出功率。
假设储热单元与热负荷间功率传递的效率为%，则：
p如⑴=i/%⑴(⑸式中,PM为储热单元给热负荷供热的实际输出功率。
(6)负载失电率约束
在满足系统功率平衡条件的基础上，负载失
电率将作为新型能源供给系统全年运行的供电可
第1期
赵文强，等：基于价值最优原则的综合能源供给系统分层优化配置策略研究9
靠性指标，从而实现系统满足负载失电率要求下 的容量配置。系统运行过程中的负载失电量可如
下式所示：Pu>s(t) = PELoad(t) — Pp V {t) — P bat ( t) (16) 在正常供电情况下，负载失电量Pu>s(t) =0。 定义负载失电率为系统运行过程中负载累积失电 量与负载消耗总电量之比，可得：
T T
Lmsp =
P lps Q) dt/ [ P load (i ) di (17)
(7)热量缺损率约束
在满足系统功率平衡条件的基础上，热量缺
损率将作为新型能源供给系统全年运行的供热可
靠性指标，从而实现系统满足热量缺损率要求下 的容量配置。系统运行过程中的热量缺损可如下 式所示：
PrM =P T Load (t) -pm -PM (18) 在正常供热情况下，热量缺损率=
0o 定义热量缺损率为系统运行过程中热负荷累
积缺损供热量与热负荷总需供热量之比，可得：
LfRSP = [ ^7PS (0 At/ [ P tload (Odt (19)
2.3基于价值最优原则的优化配置模型
根据已有的经济性目标函数和约束条件，可
建立基于价值最优原则的新型能源供给系统优化 配置模型如下：
object : minF(j) = min (£ (珀 J) +f 2 (x 2 ,j))
< AiC^i J) =Q,h 2(X 2,j) =0,L
J) W0,g2(%2 J) WO 上
(20)
式中，仇(& ,j) ,f 2(X 2 J)分别表示系统的年化投
资费用和运行维护费用。h/Xi,j)、g\(Xi,j)等 表示系统的约束条件,Si 等为系统变量的可能范
围。其中土(益J)忆(蜀J)分别表示为：
A (乙 J) = C 富(j) + C 囂(j) +C ："(j) (21)
层优化迭代算法，用于求解系统价值最优的容量 配置结果。所采用的分层优化迭代算法步骤
如下：
(1) 步骤一：数值初始化
已知目标地区典型m 天1 -24 h 各时刻的电 负荷数据P 巫昭门和热负荷数据P ”辺(门；根据目 标地区的地理、温度、太阳辐射率等环境参数，由
式(8)计算得到目标地区m 天1 -24 h 各时刻单 位光伏单元的输出功率Pg 0)；由Pg (t)、
P e 应(门，初步确定光伏发电单元功率、 储电单元容量、储热单元容量、变流器单元功率和
电热转换单元功率的最大可执行范围。
(2) 步骤二：条件假设
假设一：m 天初始时刻，储电单元的初始荷电天秤座的男明星
状态最低，储热单元的初始储热量为0，即
SOC(O) =SOC"m
<2(0) =o
(23)
假设二：考虑到储热单元的成本明显低于储 电单元，为最大化储热单元的功能作用，降低系统 的经济性成本，假设新型能源供给系统中热力子
系统所需热量是由光伏发电单元产生后，直接经
电热转换单元转换至热力子系统，而不由储电单 元供给，即新型能源供给系统的电力系统层和热
力系统层可分别进行迭代操作，完成各自的优化 配置。
(3) 步骤三：电力系统层的迭代操作
针对某一组电力系统层的容量配置(P 眈,
P", SOC^)，进行电力子系统迭代操作如下。
其中,P 观为光伏单元总额定功率，卩沁伽为变流
器单元总额定功率,SOC 昨为储电单元总额定容 且
o
①当t 时刻P pv (t) >巳血⑴时，判断储电
单元电量SOC( t)是否小于储电单元总额定容量; 若判断成立，则确定充电功率大小如下，并根据式
(13)完成储电单元的充电操作。
+C 驚⑺ +cr (j) (22)
3分层优化迭代算法
基于上述建立的优化配置模型，本文采用分
if ^inverter < ( ^PV (0 ~ Eload (力)) if Pinverter 〉( ^PV (0 ~ Eload (方))
(24)
10青海电力第40卷
式中，代”吹"与充放电功率的最大功率近似卩沁咙 相等，从而满足储电单元功率交换能力约束。若
工作态度怎么形容储电单元电量soc(t )大于或等于soc^，则不进 行充电操作，并令SOC(t) =S0C_o
,, I inverter
曲
1)=\p ei .M-p P v M
②当t 时刻p PV (t )<；卩论⑺时，判断储电
单元电量S0C (t )是否大于SOS"；若判断成立,
则确定放电功率大小如下，并根据式(13)完成储 电单元的放电操作。
if Pim>ener < (PEload(t) 1 Ppv(t) ) (25)
if ^imener > ( PEload (0 ~PpV^))
③依次求得m 天l-24h 各时刻储电单元的电量SOC(t)，并计算各时刻的负载失电率PM :
max(0,P Eload (t) -Ppyit) + P imener P lps Q)=
民族节日④
在电力系统层的最大执行范围内，按照设
雪梨定步长，改变电力系统层的容量配置，并重新进行 上述的迭代操作。其中，步长由电力系统层包含 的各单元单位功率或容量决定。
木瓜中药(4)步骤四：热力系统层的迭代操作
针对某一组热力子系统容量配置情况(P PVT , 进行热力系统层迭代操作如下。其中，
P 冲为光伏单元总额定总功率,Q 噺为储热单元总
额定容量，电热转换单元总额定功率宜接由P P VT 和电热转换能效比决定。
①当t 时刻，光伏发电单元经电热转换单元
的输出功率p PVT (t) >p 论⑴，判断储热单元热
^LPS (0 =
max(0,P £；oo(i (t) -Pp F (t) + P inverter max(0 ,P noo(j (t) — Ppy t (. i) +P ：”(/)) if r ( t) > Pn>ad(^ max(o (/) — Ppy T ( t) — P out ( t) )
ifPpy_7'(/) < Pnoad(t)
④在热力系统层的最大执行范围内，按照设
定步长，改变热力系统层的容量配置，并重新进行 上述迭代操作。其中，步长由热力系统层包含的 各单元单位功率或容量决定。
(5) 步骤五：负载失电率及热量缺失率评价① 根据负载失电率的约束条件，判断各组电
力系统层的容量配置方案，确定满足负载失电率 约束条件的电力系统层各容量配置方案。
② 根据热量缺损率的约束条件，判断各组热 力系统层的容量配置方案，确定满足热量缺损率
约束条件的热力系统层各容量配置方案。
(6) 步骤六：价值最优方案的选取
计算步骤五得到的电力、热力系统层各容量
配置方案经济性成本，搜索价值最优的电力、热力 系统层配置方案；
综合上述价值最优的电力、热力系统层配置
⑴)if Ppy(t) >PEload(t )
,.
(26)
(/)) if Ppy(t) < PEload(t)
量QQ)是否小于储热单元总容量<2喰；若判断成
立，则储热单元吸收热量，由式(14)确定储热单 元的吸热功率为入Q)。若判断不成立，则不进卤味制作
行储热操作，并令QQ) =Q max o
② 当t 时刻P 叱&)"论⑴时，判断储热 单元热量QQ)是否大于0；若判断成立，则储热
单元放出热量，由式(15)确定供给热负荷的实际 输出功率为P out (t)o
③ 依次求得m 天1 - 2必各时刻储热单元的 热量Q(t)，并计算各时刻的热量缺损值P TPS (t)
如下：
(27)
方案，得到基于价值最优原则下光、储、热新型能
源供给系统价值优化配置结果。
4算例分析
为了验证上述所提出的优化配置方法，本文
根据某偏远地区的电负荷、热负荷、单位光伏单元
发力数据，设计对应的容量配置方案，并进行了算 例分析。算例中，新型能源供给系统结构如图1 所示，其中，储电单元采用Li 蓄电池，电热转换单
元采用量子电锅炉，能效转换比为2，储热单元需 配备水循环单元来完成吸收、释放热量。
图2给出了某偏远地区典型7天电负荷、热 负荷和单位光伏发电单元出力的预测变化曲线。 其中，电负荷最大功率为746 kW，热负荷最大功
率为1 124.2 kW 0表1给出了新型能源供给系
统各单元的成本参数。
